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Panneaux photovoltaïques 14/15
1. Introduction générale :De nos jours, l'homme a à sa disposition sur la Terre de nombreuses sources d'énergie. Les
plus utilisées sont les énergies dites fossiles (charbon, pétrole, gaz) car non renouvelables et
issues d'un long processus de transformation de la matière organique, parce qu'elles sont
faciles à exploiter, et rentables. Cependant, pour différentes raisons, il s'avère que ces énergies
ne peuvent plus être utilisées. Tout d'abord, les réserves d'énergie fossiles commencent à
s'amoindrir. Ensuite, en raison de la très forte demande en provenance des pays en voie de
développement comme la Chine et l'Inde pour ne pas les citer, les prix de ces énergies ne
cessent d'augmenter, les rendant inabordables pour certaines personnes. Et puis, lors de leur
utilisation, ces énergies émettent une grande quantité de gaz à effet de serre (dioxyde de
carbone, notamment) qui participent fortement au réchauffement planétaire, qui devient un
problème grandissant pour la Terre et les êtres vivants. De nombreuses énergies non
polluantes, ou renouvelables, ou abondantes partout à la surface du globe pourraient pourtant
être utilisées par l'homme. Entre autres, on distingue l'énergie éolienne, l'énergie nucléaire,
l'énergie hydroélectrique et l'énergie solaire. Mais l'énergie éolienne n'est pas assez rentable,
au sens qu’elle ne permet pas de produire beaucoup d'énergie par unité de surface. L'énergie
nucléaire, même si elle a un fort rendement, produit des déchets très polluants et peu
dégradables. De plus elle fait peur en raison des graves accidents qui peuvent se produire
(catastrophe de Tchernobyl), et en raison du risque de prolifération nucléaire. L'énergie
hydroélectrique a un bon rendement mais, un fort impact écologique et humain, n'est pas
disponible partout, et la plupart des espaces qui lui sont propices sont déjà saturés de barrages.
L'énergie solaire, elle est disponible partout à la surface du globe, en quantité égale dans
l'année, et a un bon rendement grâce à la technologie actuelle. Elle est de plus facile à
exploiter. Elle semble être l'énergie la plus prometteuse pour l'avenir. C'est pour cela que nous
avons décidé de l'étudier plus en détail. Mais comment exploiter au mieux cette énergie? Et
quels sont les enjeux liés à son utilisation?
2. Introduction :
.L’énergie solaire :
Définition :L’énergie solaire est l’énergie électromagnétique transmise par le soleil et qui est générée par
la fusion nucléaire. Elle est à l’origine de toute forme de vie terrestre et représente environ
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420 trillions de kilowattheures (kWh). L’énergie solaire est plusieurs milliers de fois plus
importante que toutes les énergies cumulées utilisées par le monde entier. Le rayonnement
lumineux et la chaleur du soleil sont utilisés par les humains depuis l’Antiquité, ce qui a
abouti à une série de technologies qui n’ont cessé de se développer. Le rayonnement solaire,
ainsi que les ressources à énergie solaire secondaires telles que l’énergie éolienne et
marémotrice, l’énergie hydroélectrique et la biomasse, représentent la plupart de l’énergie
renouvelable disponible sur Terre. Seule une minuscule part de l’énergie solaire disponible est
utilisée. La production d’électricité à énergie solaire repose sur des moteurs thermiques et sur
l’effet photovoltaïque. Les utilisations de l’énergie solaire n’ont de limites que celles du génie
humain. Pour ne citer que quelques‐unes de ses applications : le chauffage et la climatisation
de locaux à travers une architecture solaire, la création d’eau potable via la distillation et la
désinfection, la domestication de la lumière du jour, l’eau chaude solaire, la cuisson solaire et
la production de chaleur haute température à des fins industrielles. Pour collecter l’énergie
solaire, le moyen le plus courant est d’utiliser des panneaux solaires. Les technologies solaires
sont largement caractérisées comme étant soit solaires passives, soit solaires actives selon la
façon dont elles capturent, transforment et distribuent l’énergie solaire. Les techniques
solaires actives incluent l’utilisation de panneaux photovoltaïques et de capteurs solaires pour
exploiter l’énergie. Les techniques solaires passives incluent le fait d’orienter un bâtiment
vers le soleil, de choisir des matériaux présentant une masse thermique ou des propriétés de
dispersion de la lumière favorables, et de concevoir des locaux qui laissent circuler l’air
naturellement.
Utilisation :La plus grande partie de l’utilisation de l’énergie solaire est consacrée au réchauffement de la
Terre, ce qui rend possibles les formes connues d’existence biologique à proximité de la
surface, suivie par la photosynthèse des plantes. La plupart des organismes, y compris les
humains, dépendent soit directement (en tant qu’herbivores), soit indirectement (en tant que
carnivores) de l’énergie solaire. Le combustible et les matériaux de construction en découlent
également. Par ailleurs, l’énergie solaire est responsable des différences de pression d’air dans
l’atmosphère, qui sont à l’origine du vent. Enfin, le cycle hydrique de la Terre est entraîné par
l’énergie solaire. Outre ces « effets » naturels, il existe de plus en plus d’applications
techniques, en particulier dans le domaine de l’approvisionnement énergétique. En s’appuyant
sur la technologie solaire, l’énergie solaire peut être profitable de plusieurs façons :
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ƒ. Les cellules solaires produisent de l’électricité à courant continu
(photovoltaïque) .ƒ Les panneaux solaires génèrent de la chaleur (thermo solaire)
.ƒ Les centrales héliothermiques génèrent de l’électricité à partir de la chaleur et de la vapeur
.Les plantes et les déchets végétaux peuvent être traités pour produire des liquides
exploitables (par ex., éthanol, huile de colza) ou des gaz (comme du biogaz) .ƒ
Les centrales éoliennes et hydroélectriques génèrent de l’électricité (voir l’article sur l’énergie
éolienne et l’énergie hydraulique) ƒ. Les
cuisinières solaires ou les fours solaires permettent de réchauffer les aliments ou de stériliser
les équipements médicaux
.le phénomène photovoltaïque :
Définition :Le phénomène photovoltaïque est la transformation directe de la lumière en électricité à
l’échelle atomique. Certains matériaux se caractérisent par une propriété connue sous le nom
d’effet photoélectrique qui leur fait absorber les photons de la lumière et libérer des électrons.
Lorsque ces électrons libres sont capturés, il en résulte un courant électrique qui peut être
utilisé comme de l’électricité.
Historique :L’effet photoélectrique a d’abord été observé par un physicien français, Edmond Becquerel,
en 1839, qui a découvert que des matériaux spécifiques produisaient de petites quantités de
courant électrique lorsqu’ils étaient exposés à la lumière. En 1905, Albert Einstein a décrit la
nature de la lumière et l’effet photoélectrique sur lequel s’appuie la technologie
photovoltaïque, ce qui lui a valu plus tard de remporter un Prix Nobel de physique. Le tout
premier module photovoltaïque a été fabriqué par les Laboratoires Bell en 1954. Il a été
présenté comme une batterie solaire et était surtout une simple curiosité car il était trop cher
pour que son utilisation se généralise. Dans les années 60, l’industrie spatiale a commencé à
faire la première utilisation sérieuse de la technologie pour fournir de l’électricité à bord des
engins spatiaux. Par le biais des programmes spatiaux, la technologie a évolué, sa fiabilité a
été établie et son coût a commencé à baisser. Durant la crissent er gétique des années 70, la
technologie photovoltaïque s’est imposée comme source d’électricité pour des applications
non spatiales.
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.Les panneaux photovoltaïques :
Définition :
Dispositif transformant l’énergie de la lumière en électricité. Il utilise l’effet photoélectrique, par lequel un photon incident (la lumière, donc) peut arracher un électron à un atome.
Description :Un panneau photovoltaïque est constitué d’une série de cellules photovoltaïques, formées
d’un matériau semi-conducteur en deux couches, l’une dopée positivement (p) et l’autre
négativement (N). C’est une jonction. Lorsqu’un électron est arraché, il se forme a la place
un trou se comportent comme une charge positive. L’électron et le trou s’échappent d’une part
et d’autre de cette jonction PN (les électrons vers N et les trous vers P) , créant une différence
de potentielle (ce que l’on mesure on voie) Une cellule photovoltaïque produit donc ainsi du
courant électrique continu.
Les différents semi-conducteurs :Il existe différents types de cellules et de procédés de fabrication. Le semi-conducteur le plus
utilisé est le silicium. La performance se mesure d’abord par le rendement : pourcentage de
l’énergie lumineuse effectivement transformée en électricité. Dans les panneaux vendus dans
le commerce, on trouve, du moins cher au plus
cher : .Le silicium amorphe (rendement 6 à 8 %) ;
.Le silicium poly cristallin (12 %) ;
.le silicium poly cristallin (15 %).
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.Les cellules photovoltaïques :
Figure 1.cellule photovoltaïque
Principe de fonctionnement d’une cellule :
.Les matériaux semi-conducteurs :
Les matériaux semi-conducteurs sont des corps dont la résistivité est intermédiaire entre celle
des conducteurs et celle des isolants. Les quatre électrons de valence du silicium permettent
de former quatre liaisons covalentes avec un atome voisin. Dans ce cas, tous les électrons sont
utilisés et aucun n’est disponible pour créer un courant électrique.
Figure 2.molècule de silicium
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.Les semi-conducteurs intrinsèques :
Les électrons situés sur la couche la plus éloignée du noyau, qui participent aux liaisons
covalentes peuvent, sous l’effet de l’agitation thermique, devenir porteur de charge. Le
diagramme énergétique est constitué de deux bandes (conduction et valence) séparé par une
bande interdite. Pour franchir cette bande l’électron doit acquérir de l’énergie (thermique,
photon, …) Mais le nombre d’électrons libres dans un semi-conducteur intrinsèque reste très
faible. Ici le nombre de trou et d’électron est égal.
Figure 3.Le diagramme énergétique
.Les semi-conducteurs extrinsèques :
Pour augmenter la conductivité des semi-conducteurs on y introduit des impuretés. Ce
procédé est appelé dopage.
Figure 4.Dopage de type N
On remplace un atome de silicium par un atome pentavalent. Quatre d’entre eux assurent les
liaisons avec les atomes voisins de silicium et le cinquième resté disponible va être excité vers
la bande de 3conduction très facilement par l’agitation thermique. D’où le nombre d’électron
libre qui va fortement augmenter : dans ce cas le nombre de trou est très inférieur au nombre
d’électron libre. On obtient ainsi un cristal dopé N (négatif).
De la même façon on introduit des atomes trivalents, ses trois électrons vont assurer les
liaisons covalentes avec trois atomes voisins mais laisser un trou au quatrième. Ce trou se
déplace de proche en proche dans le cristal pour créer un courant.Ici le nombre de trous est
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très supérieur au nombre d’électrons libres du cristal intrinsèque, on obtient donc un cristal
dopé P (positif), les impuretés utilisées sont souvent du Bore.
Figure 5.Dopage de type P
Une jonction PN est l’accolement d’une région dopé P et d’une région dopée N.Lors de cet
assemblage les porteurs de charges libres s’attirent et se recombinent dans la zone de jonction
où les porteurs libres disparaissent : c’est la zone de transition.
Figure 6.La jonction PN
Il ne reste donc plus que les ions dans cette zone qui vont créent un champ électrique interne
au niveau de la jonction et qui empêche les charges libres restantes dans chaque zone de
traverser la jonction pour se recombiner.
Figure 7.La jonction PN
.L’effet photovoltaïque :
Lorsqu’un matériau est exposé à la lumière du soleil, les photons constituant la lumière «
attaquent » les atomes exposés au rayonnement. Les électrons des couches électroniques
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supérieures, appelés aussi électrons de valence ont tendance à être arracher. Dans les cellules
PV, une partie des électrons ne revient pas à son état initial et les électrons « arrachés » créent
une tension électrique continue et faible.
Figure 8.L’effet photovoltaïque
. Association de cellules :
Lorsque l’on associe en série des cellules leur tension s’ajoute, lorsque l’on associe en
parallèle des cellules leur courant s’ajoute. Il faut savoir que lorsque l’une des cellules est
affectée d’une gêne (ombre..) , tout le fonctionnement est perturbé. La tension générée par
une cellule est limitée à la valeur du gap de son matériau On associe les cellules afin de
pouvoir délivrer des tensions de 12V, 24 V, 48V.
Les types de cellules : • Les cellules monocristallines :
La première génération de photopiles ; Un taux de rendement excellent (12-16%) (23% en
Laboratoire) ; Une méthode de fabrication laborieuse et difficile, donc très chère ; Il faut une
grande quantité d’énergie pour obtenir du cristal pur. ;
• Les cellules poly-cristallines
Coût de production moins élevé ; Procédé nécessitant moins d ‘énergie ; Rendement 11-13%
(18% en Labo) ;
• Les cellules amorphes : (cellules de calculatrices par exemple)
Coût de production bien plus bas ; Rendement plus bas : 8-10% (13% en labo) ; Durée de vie
plus faible ;C’est le silicium amorphe que l’on trouve le plus souvent dans les produits de
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consommation comme les calculatrices, les montres etc.… Toutefois, ils réagissent mieux à
des températures élevée sou à une lumière diffuse. De plus, les cellules mono et poly-
cristallines sont les types de cellules les plus répandues sur le marché du photovoltaïque
(environ 60% de la production).
• Les cellules nanocristallines
Une des dernières générations de photopiles ; Fonctionnent selon un principe qui différencie
les fonctions d'absorption de la lumière et de séparation des charges électriques ;Rendement
global de 10,4 %, confirmé par des mesures au laboratoire ;Procédé et coût de production
encore plus bas.
Performances :Le rendement d’une cellule PV est le rapport entre l’énergie électrique aux bornes de la
cellule et l’énergie incidente (en %). Il dépend essentiellement de la puissance maximale du
panneau solaire, de l’intensité de l’ensoleillement, du nombre d’heures d’exposition, de
l’angle d’incidence des rayons sur le panneau et de la température. La température extérieure
influence le rendement du panneau d’environ 15% ; plus il fait froid et mieux on pourra
produire. Le paramètre qui joue le plus est l’angle d’incidence des rayons lumineux : ils
doivent arriver perpendiculairement au panneau.
Figure 9. Etude de l’ensoleillement et choix du meilleur angle d’inclinaison
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.Processus de fabrication des systèmes photovoltaïques :Etant donné que le fonctionnement d’un capteur photovoltaïque ne génère pas de nuisance
particulière, les impacts environnementaux se situent nécessairement en amont de la chaîne,
au moment de la fabrication, et en fin de vie lors du démontage. Il est donc utile de connaître
les techniques de fabrication afin de bien identifier d’où proviennent et comment sont utilisés
les différents flux de matières et d’énergie mis en jeu. Cette partie déroule les étapes de
fabrication d’un processus standard, c’est-à-dire le plus établi, chaque industriel développant
bien entendu ses propres variantes.
Figure 10.Enchaînement des étapes de fabrication d’un module photovoltaïque au silicium cristallin
Comme on le voit sur la figure 10, un certain nombre d’étapes est nécessaire pour passer du
quartz au module photovoltaïque fini. Le raffinage du silicium se fait en deux phases : tout
d’abord l’extraction du silicium du minerai de quartz, puis la purification de ce silicium par
diverses techniques. Une fois purifié, il sera mis sous forme de plaques et rendu actif par une
succession de traitements spécifiques. Les cellules photovoltaïques seront alors assemblées et
montées dans des modules.
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.Applications du PV :
Dans les bâtiments :Les champs photovoltaïques sont souvent associés aux bâtiments : soit directement intégrés
de dans, soit montés dessus ou encore montés au sol à proximité. Les champs sont le plus
souvent installés dans des bâtiments existants, généralement montés sur une structure de toit
existante ou sur les murs existants. Les champs peuvent également être situés à l’écart du
bâtiment, mais ils sont reliés par câble à son alimentation. En 2010, plus des quatre
cinquièmes des 9000 MW de panneaux PV solaires exploités en Allemagne provenaient des
toits.
Figure 11.Panneaux solaires photovoltaïques sur le toit d’une maison
Photovoltaïque intégré aux bâtiments (PVIB) :
Les panneaux photovoltaïques intégrés aux bâtiments (PVIB) sont de plus en plus introduits
dans de nouveaux bâtiments à usage domestique et industriel comme source principale ou
auxiliaire d’alimentation électrique. En général, les champs sont intégrés dans les toits ou les
murs des bâtiments. Les tuiles à cellules PV intégrées sont également courantes. La tour CIS à
Manchester, en Angleterre, a été recouverte de panneaux PV pour un coût de 5,5 millions de
livres sterling. Elle a commencé à alimenter la National Grid en électricité en novembre
2005.La puissance de sortie des systèmes photovoltaïques prévus pour être installés dans les
bâtiments est généralement décrite en unités kilowatt ‐crête (kWp).
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Figure 12.Photovoltaïque intégré aux bâtiments (PVIB)
Figure 13.installation photovoltaïque
Dans les transports :Le PV est traditionnellement utilisé pour l’alimentation électrique dans l’espace. Il est
rarement exploité pour fournir de l’énergie motrice dans les transports, mais est de plus en
plus utilisé pour fournir une puissance auxiliaire aux bateaux et voitures. Un véhicule solaire
autonome aurait une puissance limitée et une faible utilité, mais un véhicule chargé à l’énergie
solaire permettrait d’utiliser l’énergie solaire pour le transport. Les voitures à énergie solaire
ont fait leurs preuves.
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Figure 14.bateau solaire
Figure 15.La propulsion du catamaran
Jusqu’à il y a dix ans, le PV était fréquemment utilisé pour alimenter les calculatrices et les
nouveaux appareils. Les améliorations apportées aux circuits intégrés et les écrans LCD basse
consommation permettent d’alimenter ces appareils pendant plusieurs années entre les
changements de batteries, ce qui a rendu le recours au PV moins courant. Par contre, les
dispositifs fixes à distance fonctionnant à l’énergie solaire sont, depuis peu, de plus en plus
utilisés dans les lieux où les coûts de raccordement élevés rendent l’électricité du réseau
excessivement chère. De telles applications incluent les pompes à eau, les parcmètres, les
téléphones de secours, les compacteurs de déchets, la signalisation routière temporaire, et les
bornes et la signalisation à distance.
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Figure 16.Dispositifs autonomes
Figure 17.fonctionnement du calculatrice solaire
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Satellites à énergie solaire :Des études de conception de satellites de collecte de grande taille à énergie solaire ont été
menées pendant des décennies. L’idée a tout d’abord été suggérée par Peter Glaser, puis par
Arthur D. Little Inc ; la NASA a réalisé une longue série d’études de faisabilité techniques et
économiques dans les années 70, et l’idée a suscité un regain d’intérêt au cours des premières
années du 21ème siècle. D’un point de vue économique et pratique, le problème majeur pour
ces satellites semble être le coût de lancement. Les autres considérations incluent le
développement de techniques de montage dans l’espace, mais elles semblent être un obstacle
moins important que le coût substantiel. Ce dernier se trouvera diminué par le moindre coût
des cellules photovoltaïques ou par leur meilleur rendement.
Figure 18.Satellites à énergie solaire
Figure 19.un satellite pour surveiller les gaz à effet de serre
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3. conclusion :Certes l'énergie solaire est une énergie propre mais cela présente des limites.
Ainsi, les panneaux solaires sont une solution pour les endroits isolés, non raccordés au réseau
électrique et pour rendre des installations autonomes. L'énergie solaire peut également
s'avérer très avantageuse dans le cas d'installations chez des particuliers.
Cependant, les panneaux solaires ne sont actuellement pas rentables pour une production à
grande échelle, à cause de nombreuses limites et des autres sources d'énergie plus
avantageuses telles que le nucléaire.
Les panneaux solaires sont donc parfaits pour compléter les besoins énergétiques mais toute
l'énergie ne peut être produite entièrement par leur utilisation.
L'idéal serait donc une mixité des énergies où le solaire serait utilisé au maximum de son
potentiel ainsi que les autres énergies renouvelables.
L'énergie solaire est toutefois une solution d'avenir qui vaut le coup d'être plus exploitée,
d'autant plus que de nombreuses améliorations sont encore possibles.
4. conclusion générale :
L’énergie solaire est une des 5 énergies renouvelables qui permet d’obtenir essentiellement de
la chaleur et de l’électricité. Nous avons vu qu’à l’aide des nouvelles technologies, les
panneaux solaires photovoltaïques ou thermiques, on peut obtenir de la chaleur grâce aux
réactions transformant la lumière en chaleur ainsi que de l’électricité. De plus, nous avons
remarqué que l’on peut se chauffer dans une maison sans appareils mais seulement avec la
lumière du soleil. En effet, selon la position de la maison et certains espaces vitrées on peut
tirer de la chaleur grâce au rayon de soleil. L’énergie solaire peut contribuer au remplacement
des énergies fossiles puisqu’elle présente des intérêts positifs aux niveaux écologiste et social.
Cependant une question se pose : le soleil peut – il répondre à la demande mondiale ? Si oui,
est ce que la population suivrait – elle ?
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